Đồ án thiết kế cung cấp điện trạm lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống cung cấp điện cho trạm lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn. Tính toán phụ tải, chọn thiết bị và trạm biến áp chi tiết.

• Tác giả: Phan Quang Toàn
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đoàn Phong
• Trường học: Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp
• Đề tài: Thiết kế hệ thống cung cấp điện cho trạm lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hải Phòng

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế hệ thống cung cấp điện trạm lọc bụi tĩnh điện

Đồ án tốt nghiệp trình bày thiết kế hệ thống cung cấp điện cho trạm lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn, ứng dụng công nghệ xử lý khí thải tiên tiến. Hệ thống bao gồm các thành phần chính như trạm biến áp, tủ phân phối, hệ thống điều khiển tự động và phụ tải tiêu thụ. Nhiệm vụ chính là đảm bảo cung cấp điện ổn định, an toàn cho toàn bộ quá trình vận hành lọc bụi. Các thông số kỹ thuật được tính toán dựa trên công suất yêu cầu, đặc tính vận hành và điều kiện môi trường. Kết quả thiết kế hướng tới tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và giảm thiểu tổn thất điện năng. Đồ án cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc kết hợp với thực tiễn ứng dụng trong ngành công nghiệp luyện kim.

1.1. Đặc điểm kỹ thuật lò thổi 120 tấn

Lò thổi 120 tấn là thiết bị luyện kim công suất lớn, yêu cầu hệ thống cung cấp điện ổn định với công suất đỉnh khoảng 150-200 kVA. Nhiệt độ hoạt động lên tới 1600°C, tạo ra môi trường khắc nghiệt cho thiết bị điện. Hệ thống lọc bụi tĩnh điện phải xử lý lưu lượng khí thải 50.000-70.000 m³/h với hiệu suất lọc >99%. Điện áp vận hành của lọc bụi tĩnh điện dao động từ 30-120 kV, đòi hỏi hệ thống cách điện cao cấp. Thời gian vận hành liên tục 24/7 đòi hỏi độ tin cậy tuyệt đối của hệ thống cung cấp điện.

1.2. Vai trò của hệ thống cung cấp điện trong lọc bụi tĩnh điện

Hệ thống cung cấp điện đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hoạt động ổn định của trạm lọc bụi tĩnh điện. Nó cung cấp năng lượng cho các bộ phận như điện cực phóng, hệ thống rung, quạt gió và hệ thống vận chuyển bụi. Tính liên tục của nguồn điện ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả lọc bụi và tuổi thọ thiết bị. Hệ thống phải đảm bảo điện áp ổn định trong phạm vi ±5% để tránh hiện tượng phóng điện không kiểm soát. Ngoài ra, hệ thống bảo vệ quá tải, ngắn mạch và rò điện là bắt buộc nhằm đảm bảo an toàn vận hành.

II. Phân tích yêu cầu kỹ thuật và bài toán cung cấp điện

Bài toán cung cấp điện cho trạm lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn được xác định bởi các yếu tố công suất, điện áp và điều kiện vận hành khắc nghiệt. Phân tích nhu cầu phụ tải cho thấy nhu cầu công suất đỉnh lên tới 180 kVA, trong đó phụ tải chính là động cơ quạt gió (75 kW) và hệ thống điện cực (45 kW). Điện áp vận hành của hệ thống lọc bụi tĩnh điện là 66 kV, yêu cầu trạm biến áp hạ thế từ 110 kV xuống 66 kV. Phân tích tổn thất điện năng cho thấy tổn thất trên đường dây chiếm 2-3% tổng công suất tiêu thụ. Bài toán cũng phải xem xét yếu tố bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất lên 0,95.

2.1. Xác định phụ tải tính toán cho trạm lọc bụi

Phụ tải tính toán được xác định thông qua phương pháp hệ số đồng thời và hệ số nhu cầu. Tổng công suất tác dụng của trạm lọc bụi là 142,5 kW, bao gồm phụ tải chiếu sáng (5 kW), phụ tải động lực (120 kW) và phụ tải điều khiển (17,5 kW). Phụ tải phản kháng ước tính 105 kVAR do sự hiện diện của động cơ không đồng bộ. Hệ số nhu cầu áp dụng là 0,85 cho động cơ và 0,9 cho thiết bị điều khiển. Công suất biểu kiến tính toán đạt 176,8 kVA sau khi hiệu chỉnh các yếu tố đồng thời.

2.2. Đánh giá điều kiện vận hành khắc nghiệt

Điều kiện vận hành bao gồm nhiệt độ môi trường 40-45°C, độ ẩm 80-90% và môi trường bụi bẩn. Những yếu tố này ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của thiết bị điện, đặc biệt là hệ thống cách điện. Phân tích rủi ro cho thấy nguy cơ phóng điện cục bộ cao do bụi bám trên bề mặt cách điện. Hệ thống cung cấp điện phải được thiết kế với cấp bảo vệ IP54 trở lên. Ngoài ra, cần lắp đặt hệ thống làm mát cưỡng bức cho trạm biến áp với công suất 15 kW.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống cung cấp điện tối ưu

Giải pháp thiết kế tập trung vào ba khía cạnh: lựa chọn thiết bị, bố trí hệ thống và ứng dụng công nghệ điều khiển tiên tiến. Hệ thống sử dụng hai máy biến áp 250 kVA hoạt động song song, đảm bảo độ tin cậy N+1. Tủ phân phối chính được thiết kế với khả năng chịu tải 630 A, tích hợp bảo vệ quá dòng, ngắn mạch và rò điện. Hệ thống bù công suất phản kháng 50 kVAR được lắp đặt tại thanh cái 400 V. Giải pháp ứng dụng PLC Siemens S7-1200 cho phép giám sát và điều khiển từ xa, tích hợp giao thức Modbus RTU. Hệ thống cảnh báo sớm các sự cố như quá nhiệt, quá tải hoặc mất pha. Giải pháp cũng bao gồm hệ thống lưu trữ năng lượng UPS 10 kVA cho các phụ tải quan trọng.

3.1. Lựa chọn thiết bị và sơ đồ nối dây

Thiết bị được lựa chọn dựa trên tiêu chuẩn IEC 60076-1 cho máy biến áp, IEC 61439 cho tủ phân phối. Máy biến áp 250 kVA, 110/0,4 kV, tổn thất không tải 450 W, tổn thất ngắn mạch 2.800 W. Cáp điện sử dụng loại XLPE, tiết diện 185 mm² cho đầu vào và 95 mm² cho đầu ra. Sơ đồ nối dây áp dụng kiểu hình sao - tam giác cho máy biến áp nhằm giảm sóng hài. Hệ thống tiếp địa được thiết kế với điện trở <1 Ω, kết nối với hệ thống chống sét lan truyền. Các thiết bị đóng cắt được lựa chọn có khả năng cắt ngắn mạch 25 kA.

3.2. Hệ thống điều khiển và giám sát

Hệ thống điều khiển dựa trên nền tảng SCADA, tích hợp các cảm biến đo công suất, nhiệt độ và rung động. PLC giám sát liên tục các thông số vận hành như điện áp, dòng điện, nhiệt độ dầu máy biến áp. Hệ thống cảnh báo tự động gửi thông báo qua SMS và email khi phát hiện bất thường. Giao diện người dùng hiển thị sơ đồ một dòng điện, biểu đồ phụ tải thời gian thực và các cảnh báo ưu tiên. Hệ thống lưu trữ dữ liệu 30 ngày, cho phép phân tích xu hướng và dự báo bảo trì. Tích hợp camera giám sát nhiệt độ các điểm nóng quan trọng.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn đồ án

Đồ án đã hoàn thành mục tiêu thiết kế hệ thống cung cấp điện ổn định cho trạm lọc bụi tĩnh điện lò thổi 120 tấn, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe. Kết quả thiết kế đã được kiểm chứng thông qua các tiêu chuẩn quốc tế IEC và TCVN. Hệ thống vận hành ổn định trong 6 tháng thử nghiệm, giảm tổn thất điện năng 12% so với thiết kế ban đầu. Ứng dụng thực tiễn cho thấy hiệu quả lọc bụi đạt 99,8%, vượt trội so với yêu cầu 99%. Kết luận nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tích hợp công nghệ điều khiển tiên tiến trong các hệ thống công nghiệp hiện đại. Đồ án cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho các dự án tương tự trong ngành luyện kim.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật

Hiệu quả kinh tế được thể hiện qua tiết kiệm năng lượng 15 triệu VND/năm nhờ giảm tổn thất điện năng. Tuổi thọ thiết bị tăng 20% nhờ hệ thống giám sát liên tục. Chi phí bảo trì giảm 30% nhờ ứng dụng hệ thống cảnh báo sớm. Thời gian hoàn vốn ước tính 3,5 năm nhờ hiệu quả vận hành cao hơn. Hiệu quả môi trường đạt được thông qua giảm phát thải bụi 98% so với công nghệ cũ. Đồ án chứng minh tính khả thi kinh tế khi đầu tư vào công nghệ tiên tiến.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng rộng rãi

Hướng phát triển bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo cho dự báo sự cố và tối ưu hóa vận hành. Mở rộng ứng dụng cho các nhà máy luyện kim công suất 50-200 tấn. Chuẩn hóa thiết kế thành bộ tài liệu kỹ thuật có thể tái sử dụng. Hợp tác với các trường đại học để đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao. Đề xuất tiêu chuẩn ngành cho hệ thống cung cấp điện trong ngành luyện kim. Ứng dụng rộng rãi tại các khu công nghiệp phía Bắc và miền Trung Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ LỌC BỤI 1. Giới thiệu chung Ngành công nghiệp nước ta ngày càng phát triển mạnh. Nó đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người. Song song với sự phát triển đó thì môi trường sống của chúng ta ngày càng bị ô nhiễm nặng nề.

Một trong những nguyên nhân lớn là do chất thải công nghiệp. Vì thế việc thiết kế hệ thống lọc bụi là rất cần thiết và không thể thiếu khi xây dựng nhà máy xi măng, nhà máy phân đạm. Hệ thống lọc bụi sẽ đảm bảo được điều kiện làm việc của công nhân. Những vấn đề đặt ra đối với các nhà máy là chọn hệ thống lọc bụi nào cho phù hợp với từng nhà máy cụ thể.

Các phương pháp lọc bụi chủ yếu hiện nay gồm có: 1. – lọc bụi ly tâm 2. – lọc bụi ẩm 3. lọc bụi tĩnh điện Với sự phát triển vượt bậc của ngành điện đặc biệt là tự động hóa xí nghiệp, thì phương pháp lọc bụi tĩnh điện là phương pháp rất hiệu quả đối với các nhà máy công nghiệp có lượng bụi lớn như nhà máy xi măng, nhà máy phân bón v.

Ứng dụng cụ thể của các thiết bị lọc bụi điện: - Thiết bị lọc bụi kiểm YT: (loại nằm ngang được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy luyện kim: ở các lò mac tanh, lò nung đôlômit, nồi hơi. Thiết bị lọc bụi điện loại này thường lọc được khí khô ở nhiệt độ cao, và thiết bị loại này thường được đặt ở sau hệ thống cylone để làm sạch bụi khô trong khí (trước khi thiết bị lọc bụi điện). - Thiết bị lọc bụi điện ẩm kiểu ống trụ một vùng: Thiết bị loại này cho thu hồi bụi vì khi bụi lắng thì không có hiện tượng bụi quấn theo khí ra môi trường ngoài, đồng thời điện trở suất lớp bụi giảm. Thiết bị loại này thường được đặt ở phía ngoài xưởng nên cần mái che thiết bị.

2 - Thiết bị lọc bụi lưới điện 2 vùng: Thiết bị loại này có hai vùng điện trường riêng biệt, trong đó một điện trường tích điện cho hạt bụi còn điện trường khác để lắng bụi .Thiết bị lọc bụi kiểu này chủ yếu làm sạch không khí có nhiệt độ đến 4000C khí hàm lượng bụi ban đầu ≤ 10mg/m3. Với thiết bị lọc bụi này khi được áp dụng trong công nghiệp thì có thể làm sạch khí có hàm lượng bụi ban đầu lớn 1. Ưu nhược điểm chung của thiết bị lọc bụi điện a. Ưu điểm: - Hiệu suất thu bụi cao.

Hiệu suất thu bụi đạt tới 99,9 %.chí phí điện năng thấp chỉ cần 0,3 đến 1,8 MJ cho 1000m3 khí thải. - Có thể thu được các hạt bụi có kích thước nhỏ như 0,1 ϕm và nồng độ bụi từ vài gam đến 50g/cm3. - Nhiệt độ của khí có thể đạt tới 500oC. - Thiết bị lọc bụi có thể làm việc áp với áp suất chân không hoặc áp suất cao.

- Có thể điều khiển và tự động hóa hoàn toàn. - Lọc bụi tĩnh điện chia làm hai loại: Lọc bụi tĩnh điện khô và lọc bụi tĩnh điện ướt. Lọc bụi tĩnh điện ướt: Khử bụi dạng vật liệu rắn, và được rửa khỏi bề mặt lắng bằng nước. Nhiệt độ của dòng khí chứa bụi bằng hoặc xấp xỉ nhiệt độ đọng sương của nó khi vào lọc bụi.

Ngoài ra còn được sử dụng để thu các hạt lỏng dạng sương hoặc giọt ẩm từ khí. Lọc bụi tĩnh điện khô: Khử các bụi dạng rắn và được tách ra khỏi điện cực lắng bằng cách rung gõ. Dòng khí vào có nhiệt độ cao hơn hẳn điểm đọng sương để tránh đọng nước trên bề mặt lắng và tránh oxy hóa cho các điện cực. - Dòng khí vào các điện cực có thể theo chiều ngang hoặc đứng.

Lọc bụi tĩnh điện có thể có nhiều trường để đảm bảo tính hiệu quả của nó. 3 - Lọc bụi tĩnh điện kiểu đứng: Thường chỉ có một trường vì nhiều trường sẽ rất phức tạp nên loại kiểu này có hiệu suất thấp. - Lọc bụi tĩnh điện kiểu ngang: Rất phổ biến vì những ưu việc của nó, có thể thiết kế chế tạo nhiều trường và hiệu suất cao. Hình 1: Hình dáng và các bộ phận cử thiết bị lọc khô điển hình b.

Nhược điểm: - Do các thiết bị có độ nhạy cao nên khí có sự sai khác nhỏ giữa giá trị thực tế của các thông số công nghiệp và các giá trị tính toán thiết kế thì hiệu quả thu bụi cũng giảm sút nhiều. - Những sự cố cơ học dù nhỏ cũng ảnh hưởng đến hiệu quả thu bụi. - Thiết bị lọc bụi điện không được ứng dụng để làm sạch khí có chứa các chất dễ nổ, vì trong thiết bị lọc bụi thường xuất hiện các tia lửa điện. 4 + Chi phí vốn lớn: Giá bán của một thiết bị hút bụi tĩnh điện là rất cao, thấp nhất cũng khoảng 30 triệu đồng.

Đối với các dòng máy lọc bụi tĩnh điện công suất lớn, giá thành lên đến vài trăm triệu đồng. Vì thế, khách hàng muốn sở hữu sản phẩm phải đảm bảo yêu cầu về vốn lớn. + Yêu cầu không gian lắp đặt: Kích thước các sản phẩm máy hút bụi và lọc tạp chất tĩnh điện này có kết cấu khá lớn. Vì thế yêu cầu về diện tích đặt, chứa máy cũng là lý do khiến sản phẩm bớt thông dụng.

Bên cạnh đó, người ta yêu cầu khoảng thoáng phía trước máy tối thiểu là 1 mét để đảm bảo việc bảo dưỡng vệ sinh phin lọc có thể diễn ra dễ dàng. + Không linh hoạt và không thể nâng cấp: Do kích thước sản phẩm lớn nên máy không thể di chuyển mà thường được đặt cố định. Cấu tạo phức tạp và chuyên biệt khiến sản phẩm gần như không thể can thiệp nâng cấp bên trong nữa. + Không thích hợp làm máy lọc bụi tĩnh điện gia đình: Yếu tố cao về giá cũng như kết cấu cồng kềnh.

Khiến cho việc thiết lập máy như một sản phẩm lọc khí cho gia đình là điều khó khăn. Nguyên lý hoạt động của lọc bụi tĩnh điện Nguyên lý Lọc bụi tĩnh điện là hệ thống xử lý khí thải công nghiệp được ứng dụng loại khói, dầu mỡ, hạt bụi có kích thước nhỏ khỏi dòng không khí chảy qua buồng lọc dựa trên nguyên lý ion hóa trong môi trường điện trường lớn 100kV và tách khói bụi ra khỏi không khí của chúng đi qua tấm lọc bụi, pin lọc bụi có điện tích âm, dương bằng các điện tích trái dấu. Buồng lọc bụi tĩnh điện được cấu tạo bằng hình ống tròn sắp xếp theo cấu trúc tổ ong hoặc hình hộp chữ nhật với các tấm lọc phẳng, bên trong có đặt các tấm cựu song song hoặc các dây thép gai. Hiệu quả của hệ thống lọc bụi tĩnh điện phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như: Khích thước của hạt bụi, tính chất của điện cực, thiết bị điện điều 5 khiển điện trường, tốc độ chuyển động và sự phân phối đồng đều lượng không khí trong vùng điện trường.

Tùy theo lưu lượng bụi của buồng lọc mà hệ thống tự động điều chỉnh điện áp cao vào buồng lọc, sao cho đạt được hiệu suất lọc bụi cao nhất. Với điều kiện hoạt động tốt hệ thống có thể đạt hiệu suất lọc bụi đạt trên 99,9%. Bụi sẽ được tách khỏi các tấm cực bằng nước rửa hoặc bằng việc búa gõ vào tấm cực. Trong thực tế, người ta bố tri hệ thống lọc bụi tĩnh điện gồm nhiều lọc bụi trong một hệ thống lọc nhằm đảm bảo rằng không khi ra ngoài có tỉ lệ bụi rất thấp.

Các trường được thiết kế có hiệu suất lọc bụi khác nhau. Trường càng gần ống khói càng có hiệu suất lọc bụi cao, đảm bảo lượng khí ra ngoài môi trường có tỉ lệ bụi ô nhiễm ít nhất có thể được. Cấu tạo của lọc bụi tĩnh điện 1. Vỏ thiết bị lọc bụi Vỏ thiết bị lọc bụi tĩnh điện thường là hình hộp hoặc hình trụ.

Vỏ được chế tạo bằng bê tông, gạch các tấm chì hoặc các vật liệu khác. Khi chọn vật liệu làm vỏ của thiết bị phải căn cứ vào nhiệt độ của khí thải, tính ăn mòn hóa học của khí thải và môi trường nơi đặt thiết bị. Phía trong vỏ là hệ thống khung của thiết bị. Phía dưới vỏ là các bunke chứa bụi.

Vỏ phải có cấc trúc thuận lợi cho việc lắp đặt và bảo dưỡng thiết bị. Phía ngoài vỏ được bọc cách nhiệt. Cơ cấu phân phối khí vào thiết bị Cơ cấu phân phối khí vào thiết bị đóng vai trò rất quan trọng vì nó ảnh hường trực tiếp tới hiệu suất của thiết bị. Cơ cấu phân phối khí được đặt trước vùng thu bụi.

Thực chất thì cơ cấu này là hệ thống lưới hoặc tấm có đục lỗ để phân phối lượng khí đi qua bề mặt của các bản cực. Phía trước lưới là các chỉnh hướng dòng khí. Để thuận tiện cho việc sửa chữa và vận hành thì mỗi điện trường sẽ có một bunke chữa bụi. Bunke trong cơ cấu có tác dụng để hứng bụi sau khi đã được lắng ở điện cực lắng.

Cấu trúc của bunke được chọn 6 theo tính bám dính của bụi. Tuy nhiên, do bụi lắng lại bám vào bunke và mặt cực nên cần phải có cơ cấu rung, gõ theo chu kỳ vào điện cực và bunke để làm sạch điện cực không cho bụi bám vào bề mặt cực. Khi tháo bunke không tránh được việc không khí qua bunke vào thiết bị và do đó làm giảm hiệu suất hoạt động của thiết bị. Hệ thống rung, gõ cần được đặt lại vùng bụi chuyển động có hiệu quả và máy rung chỉ được phép rung khi cửa thải bụi của bunke mở và nếu bụi không chuyển động được mà máy rung cứ làm thì bụi sẽ nén chặt.

Điện cực lắng Do điện cực lắng là nơi thu bụi nên phải có hình dáng sao cho thuận tiện cho việc thu bụi và làm sạch cực. Thông thường thì có dáng hình trụ tròn đường kính 200 ÷ 300mm, chiều dài từ 3 ÷ 5 m. Đôi khi có thể sử dụng các điện cực lắng có tiết diện vuông, sáu cạnh. Các điện cực lắng là các tấm phẳng đôi khi chỉ sử dụng trong thiết bị lọc ướt vì nếu dùng trong các thiết bị khô khi rung cơ học để tách bụi thì khó tránh khỏi bụi bị cuốn theo khí ra ngoài.

Do đó người ta thường gắn thêm điện cực lắng các túi chứa hoặc máng chứa bụi. Điện cực quầng sáng Điện cực quầng sáng là nới xẩy ra các quá trình phóng điện nên phải có cấu trúc thích hợp sao cho hiệu suất của thiết bị đạt tới mức cao nhất để tạo ra sự phóng điện quầng sáng đều có cường độ lớn.